Special(Ⅱ) 차세대 단결정 성장기술 및 산업응용 동향(1)

고전압 전력반도체 응용을 위한 산화갈륨(Ga2O3) 단결정 성장 기술 동향

배시영_한국세라믹기술원 반도체소재센터 센터장

1. 산화갈륨 소재 개요

산화갈륨은 근래 가장 각광받고 있는 초광대역 에너지 밴드갭(Ultra-Wide Bandgap, UWBG)* 소재 중 하나이다. 산화갈륨은 넓은 밴드갭(>4.4eV)과 높은 항복전계(>8MV/cm) 특성으로 현재 상용화 적용 중인 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN) 기반 전력반도체 소재에 비해 높은 잠재력을 가진 소재로 기대된다. 산화갈륨의 전력소자 성능지수(Baliga’s figure of merit, BFOM)는 실리콘(Si) 소재 대비 무려 3,444배에 이르는 것으로 알려져 있다. 또한, UV영역에서의 높은 투과성과 n-형 도핑 제어 가능한 특성으로 다양한 광전자 소자에 응용이 가능하다. 산화갈륨은 과거 60여년 전부터 연구되어오던 소재였으나, 최근 전력반도체 응용 가능성에 대해 높은 주목을 받게 된 이유는 단결정 기판의 상용화와 그에 따른 전력소자 구현이 결정적인 역할을 했다고 볼 수 있다 [1]. 그림 1은 대표적인 전력반도체 소재의 물성을 비교하는 도표이다. 높은 항복 전계에도 불구하고, 열전도도와 전자이동도는 상대적으로 낮은 편에 속한다 [2].

*UWBG 소재: 에너지밴드갭이 4eV 이상인 반도체 소재

그림 1. 다양한 전력반도체 소재의 성능 비교 [2].

그림 2와 같이 산화갈륨은 주로 α, β, γ, δ 및 ε(또는 κ)로 표시되는 다섯 가지 다형체(Polymorph) 결정구조를 갖는다 [3]. 그 중 β상 구조는 열역학적으로 안정하여 단결정 기판으로 공급되고 있으며, 그 외의 결정 구조는 상대적으로 열에 민감하여, 그림 3에서 보여주는 바와 같이 다른 결정상으로 쉽게 상전이 되는 것으로 알려져 있다 [3]. 따라서, 현재까지 산화갈륨 단결정 기판은 용액법을 통해 성장한 β상 구조에 대해서만 활용이 가능하다. 커런덤(Corundum) α상 구조는 주로 사파이어 기판과의 이종 에피택시(Hetero epitaxy)를 통해 주로 구현되어 왔으며, mist CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy) 에피택시 성장법을 통해 주로 보고되었다 [2,4]. γ상 구조는 결함 있는 스피넬 구조로 합성 및 분석에 관한 연구 결과는 매우 드물다. δ, ε 및 κ상은 결정 구조간 연관성으로 인해 유사한 결정으로 간주될 수 있다. 예를 들어 육각형 ε상 구조는 회전 경계가 있는 사방정계 κ상 도메인으로 구성되는 반면, 빅스바이트 δ상은 β상과 ε상이 혼합되어 있는 형태로 보고된 바 있다 [5,6].

그림 2. α, β, γ, δ, 및 ε(κ)상 산화갈륨 결정 다형체의 원자 단위셀 형태.

그림 3. 다양한 산화갈륨 다형체 간의 온도에 따른 상호 변환 관계.

2. 해외 산화갈륨 단결정 성장 기술 개발 동향

산화갈륨 소재는 1800℃ 이상에서 용융되므로 고온액상성장이 가능하며, 이에 따라 플로팅존(Floating Zone, FZ), 수직브릿지만(Vertical Bridgman, VB), 초크랄스키(Czochralski, CZ), 엣지규정 필름공급(Edge-defined Film-fed Growth, EFG) 등 다양한 성장 방법이 적용 가능하다. 일본, 미국, 중국, 유럽, 러시아, 독일 등 소재/부품 강국에서는 정부지원을 받아 2000년대 중반부터 산화갈륨 단결정 기판, 에피택시, 소자 응용 등에 대한 연구를 수행해오고 있다. 미국은 미공군연구소(Air Force Research Laboratory), 미해군연구소(US Naval Institute), 대학 및 글로벌 기업이 산화갈륨 소재 및 전력반도체 개발을 진행하고 있다. 일본의 노벨크리스탈테크놀로지(NCT)**는 산화갈륨 단결정 기판을 세계 최초로 상용화한 이래, 현재 거의 독점적으로 공급하고 있다. 중국은 최근 빠르게 산화갈륨 단결정 성장 기술 추격을 하며 일부 시편 및 2인치급 단결정에 대한 판매를 시작하고 있다. 각 산화갈륨 단결정 성장법별 주요 특징을 표 1에 비교하였다.

**Novel Crystal Technology(NCT): 2015년 일본 Tamura로부터 스핀오프된 산화갈륨 기판소재 특화 벤처 기업

표 1. 산화갈륨 단결정 성장법에 따른 주요 특징 비교 [2,7].

2-1) 플로팅존 성장법(Floating Zone Growth, FZ)

FZ 성장법은 특정 조성의 소결체 만들어서 이를 시드로 매달아 국부적인 열을 가하면서 별도의 도가니를 사용하지 않고 성장시키는 방법이다. 고순도 단결정 성장이나 특정 조성의 도핑된 산화갈륨을 성장시킬 때 유리하다. FZ 성장법은 원료로 사용되는 소결체의 한쪽 가장자리를 가열하여 시작된다. 이를 통해 녹은 소결체는 종자 결정에 닿아 표면 장력을 유지하여 끌어내려지며, 성장률은 5mm/h로 비교적 높은 편에 속한다 [8]. 다양한 소재에 적용될 수 있는 플로팅존 성장법 특유의 장점으로 인해 세계 여러 기관에서 FZ법을 이용하여 산화갈륨 성장을 수행한 바 있다 [8?10]. FZ법에 의해 성장된 벌크 기판은 원통모양의 직경 1인치 수준까지 보고되고 있으며, 대구경 성장은 어려운 단점을 가지고 있다 [8]. FZ 공정 과정에서 성장축 회전 속도는 소결체 소스 부분과 시드 결정 부분을 각각 10rpm과 5rpm으로 반대 방향으로 회전시켜 조절한다. 소스부의 아래방향 밀어내기(push down) 속도와 결정부의 아래방향 당김(pull down) 속도는 각각 1~10mm/h와 1~6mm/h의 범위로 조절되면서 용융량을 일정하게 유지시킨다. 주입 가스는 산소 부족으로 인한 공급을 피하기 위해 적절한 가스 혼합물(예, 20% 질소 및 80% 산소)로 구성하여 주입된다.
그림 4는 FZ 방법으로 성장한 베타상 산화갈륨 단결정 잉곳과 절단 및 연마된 웨이퍼 사진을 보여준다 [8]. 그림 4(a)와 같이 3개의 결정축 방향, 즉, <100>, <010>, <001>을 따라 비교적 안정적인 성장이 가능하다. 그림 4(b)는 <100> 방향을 따라 1인치급 직경의 베타상 산화갈륨 잉곳을 보여준다. 그림 4(c)는 슬라이싱 및 연마 공정 통해 제작한 0.5mm 두께의 웨이퍼 사진이다.

그림 4. FZ법에 의해 성장된 베타상 산화갈륨 벌크 단결정 사진. (a) 각 면방향별(<100>, <010>, and <001>) 성장된 벌크 단결정. (b) <100> 방향으로 성장된 1인치급 벌크 단결정. (c) 커팅 가공 및 폴리싱된 1인치급 산화갈륨 웨이퍼 사진 [8].

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